ВЕНТИЛЯЦИЯ, КАК ОДИН ИЗ СПОСОБОВ БОРЬБЫ С ПАНДЕМИЕЙ КОРОНАВИРУСА

Риск заражения коронавирусом можно прогнозировать по уровню углекислого газа CO2

В средствах массовой информации дается много рекомендация по противодействию распространению коронавируса, это и правила личной гигиены, соблюдение дистанции, защитные маски, ограничение общения и т.д.

К сожалению, предлагая людям оставаться дома и не выходить на улицу, слабо разъясняется вопрос, как снизить риск заражения вирусом в помещении. Попробуем восполнить этот пробел на примере вентиляции помещений.


Теория.

Научно доказано, что качество воздуха, которым мы дышим в помещении, прямо влияет на вероятность заболевания инфекциями, передающимися воздушно-капельным путем, такими как туберкулез, корь, грипп и риновирусные инфекции. К числу последних, относится и коронавирус (COVID-19), пандемия которого началась в Китае в декабре 2019 года и быстро распространилась на весь мир.

Для прогнозирования риска передачи инфекционных заболеваний передающимися воздушно-капельным путем внутри помещений в современной науке используется уравнение Wells–Riley (1978 г.).

Wells–Riley equation

Где: P - вероятность заражения;
 D - количество случаев заболевания;
 S - количество контактирующих людей в помещении;
 I - число больных людей в помещении,;
 р - частота дыхания человека (м³/с);
 q – скорость квантовой генерации инфекции больным человеком (квант/с);
 t - общее время нахождения в помещении (с);
 Q – количество свежего воздуха, поступающего в помещение за единицу времени (м³/с).

Однако, на практике, использование этого уравнения затруднено, поскольку предполагает наличие установившихся условий и требует точного измерения величины подачи наружного воздуха. К сожалению, сейчас в большинстве квартир, магазинов, школ, офисов и больниц или вообще нет организованного притока свежего воздуха через приточную вентиляцию или помещения имеют малоэффективную вентиляцию, которая не может обеспечить его требуемое количество. В большинстве случаев, свежий воздух поступает в помещения за счет естественной инфильтрации, которую очень сложно контролировать.

В научном исследовании S. N. Rudnic (Department of Environmental Health, Harvard School of Public Health, Boston, MA, USA) и D. K. Milton (Department of Medicine, The Channing Laboratory, Brigham and Women's Hospital and Harvard Medical School, Boston, MA, USA), результаты которого изложены в статье «Risk of indoor airborne infection transmission estimated from carbon dioxide concentration» авторы предлагают альтернативный подход к прогнозированию риска инфицирования заболеваниями, передающимися воздушно-капельным путем. В основном уравнении новой теории для оценки количества свежего воздуха в помещении авторы предлагают использовать уровень содержания СО2 как индикатор качества воздуха. Полученное в исследовании уравнение является нестационарной версией уравнения Wells–Riley, которое теперь применимо для расчетов и в плохо вентилируемых помещениях. Также определяется соотношение между средним числом инфицирования и качеством воздуха, что демонстрирует вероятность существования достижимой критической доли вдыхаемого воздуха в помещении, ниже которой воздушное распространение респираторных инфекций и гриппа не произойдет.

Для оценки вероятности распространения инфекции среди людей, S. N. Rudnic и D. K. Milton используют показатель R0 - основное репродуктивное число. Это количество вторичных инфекций, которые возникают, когда один инфицированный находится в обществе других людей, восприимчивых к этой инфекции. Если значение R0 > 1, инфекция будет распространяться. Чем больше значение R0, тем больше вероятность развития эпидемии.

Репродуктивное число для инфекционных заболеваний, распространяющихся в помещениях (RA0), может быть выражено следующим образом:

Basic reproductive number in a shared indoor airspace

где: RA0 – репродуктивное число для инфекционных заболеваний в помещениях;
 n – количество людей в помещении;
 f – доля воздуха в помещении, выдыхаемого находящимися в нем людьми;
 q – скорость квантовой генерации инфекции больным человеком (квант / с);
 t - общее время нахождения в помещении (с).

Для оценки доли воздуха, выдыхаемого людьми и скорости квантовой генерации инфекции больным человеком ученые предлагают использовать значение уровня СО2, как наиболее адекватного показателя.

В итоге, авторы исследования приводят графики вероятности заражения в зависимости от содержания СО2 в воздухе помещения для трех разных видов инфекций.

Hypothetical measles outbreak with a quantum generation rate of 570/h

Семейство кривых, показанных на графике вверху, описывает возможность заражения при гипотетической вспышке кори со скоростью квантовой генерации инфекции кори q = 570 (1/ч). В этом случае, репродуктивное число (RA0) увеличивается почти линейно с увеличением количества людей при высоких концентрациях СО2. Тем не менее, репродуктивное число (RA0) не увеличивается напрямую с увеличением численности людей при низких концентрациях CO2. В последнем случае, рост вероятности заболевания с увеличением количества людей происходит значительно медленнее.

Но даже при самых низких концентрациях CO2, репродуктивное число намного больше 1. Это говорит о том, что корь будет распространяться очень быстро даже в зданиях с очень хорошей вентиляцией.

Hypothetical influenza outbreak characterized by a quantum generation rate of 100/h

На рисунке вверху приведены графики изменения репродуктивного числа (RA0) для гипотетической вспышки гриппа, характеризующейся скоростью квантовой генерации 100 (1/ч), где предполагается, что инфицированный человек останется в здании в течение 4 часов. Снова видно выравнивание величины репродуктивного числа (RA0), хотя на этот раз оно происходит даже при высоких концентрациях CO2. При низких концентрациях CO2 величина репродуктивного числа (RA0) падает ниже 1. Критическая повторно вдыхаемая фракция составляет 0,25% что эквивалентно концентрации CO2 приблизительно 500 ppm. Таким образом, очень высокие показатели подачи наружного воздуха при ограничении количества людей в помещении могут быть эффективными в ограничении распространения гриппа.

Rhinovirus, COVID-19 infections assuming a q of 4/h

На рисунке вверху приводится семейство кривых репродуктивного числа (RA0) для риновирусных инфекций, к которым относится и коронавирус (COVID-19). В этом случае, скорость квантовой генерации инфекции больным человеком была принята исходя из экспериментальных данных на уровне q = 4 (1/ч). Также предполагается, что в течение всего времени инфицированный человек проводит в здании в общей сложности 24 ч. На всех кривых присутствует стабилизация уровня для количества людей больше 20. И если приточная вентиляция обеспечит уровень содержания СО2 не выше 600-700 ppm, можно рассчитывать на предотвращение распространения инфекции.


Выводы

Исходя из результатов исследования становится очевидно, что одним из эффективных способов снижения риска распространения риновирусной инфекции, к которой относится коронавирус является организация качественной приточно-вытяжной вентиляции, которая обеспечит уровень СО2 не выше 600-700 ppm.

Если в помещении отсутствует система приточно-вытяжной вентиляции, этого эффекта можно добиться регулярным проветриванием с постоянным мониторингом уровня СО2.

Рекомендации.

1.Как правильно вентилировать помещения в условиях угрозы распространения респираторных инфекций.

Самыми правильными и эффективными способами вентиляции будут способы, применяемые в медицинских учреждениях и т.н. «чистых комнатах». В таких системах, приток свежего воздуха осуществляется ламинарным потоком через специальные воздухораспределители. Например через потолочные ламинаторы в одном направлении, например сверху – вниз. Рециркуляция воздуха полностью исключается, а приточный воздух тщательно фильтруется в HEPA фильтрах. Вентиляционное оборудование и автоматика кроме заданной температуры и влажности постоянно поддерживают избыточное давление в помещении. Это препятствует проникновению внешнего загрязненного воздуха.

К сожалению, такой способ дорогостоящий и имеет высокие эксплуатационные расходы.

Менее затратным является использование стандартной приточно-вытяжной вентиляции. В этом случае свежий воздух через приточную установку подается в помещение. Вытяжная установка вытягивает отработанный воздух из помещения. В приточной установке свежий воздух очищается от пыли, подогревается или охлаждается.

Действующими строительными нормами регламентируется кратность воздухообменов, которая рассчитывается в зависимости от назначения помещения, количества людей, их режима пребывания и количества загрязнений, которые выделяются внутри. Уровень СО2 действующими строительными нормами в настоящее время не регламентируется. Поэтому, если вы хотите контролировать риск распространения респираторных заболеваний, нужно измерять уровень СО2 и регулировать производительность приточной и вытяжной систем для поддержания СО2 не выше 600-700 ppm.

Для измерения содержания СО2 можно приобрести комнатный монитор качества воздуха, который измеряет как минимум температуру, влажность и содержание СО2. Например, вот такие, Walcom HT-501

Комнатный монитор качества воздуха

Более продвинутые модели комнатных мониторов, кроме измерения температуры (T°C), влажности (H%) и содержания углекислого газа (СО2 ppm) измеряют содержание формальдегидов (HCHO mg/m³), содержание микрочастиц загрязнений (РМ2.5 µg/m³) и содержание летучих органических веществ (TVOC mg/m³).

Комнатный монитор качества воздуха

Такие мониторы только проинформируют вас о текущем состоянии воздуха в помещении но изменить ситуацию они не смогут. Если качество воздуха не удовлетворительно то вы самостоятельно должны принять решение – проветрить помещение или включить вентиляцию, если она есть. А может и наоборот, закрыть окно, если с улицы к вам летят микрочастиц загрязнений.

Когда вопрос качества воздуха касается больших общественных помещений, например, офисов, школ, больниц и т.д. такой способ мониторинга качества воздуха малоэффективен.

Здесь нужно устанавливать автоматизированные измерительные станции или мониторы качества воздуха с подключением их к системам вентиляции и кондиционирования.

Принцип действия их следующий.

По результатам постоянного измерения параметров воздуха мониторы вырабатывают команды на управление системой вентиляции, кондиционирования, отопления и увлажнения воздуха.

Наша компания предлагает установку такой системы мониторинга качества воздуха для квартир, коттеджей, офисов, образовательных и медицинских учреждений. Эта система может управлять вентиляцией, кондиционированием, отоплением и увлажнением воздуха. Также данные о состоянии воздуха доступны со смартфонов или компьютера в реальном времени и в записи. Датчики для мониторинга качества воздуха в каждом отдельном помещении монтируется в стандартные подрозетники в стену. Связь датчиков с WEB-сервером может осуществляться через провода по протоколу Modbus RTU или беспроводно через WiFi. В последнем случае к месту установки достаточно подать только питание 220В, например, установив датчики рядом с розеткой или выключателем.

Комнатный монитор качества воздуха



Как самостоятельно изготовить простое устройство для измерения уровня СО2 в воздухе.


Эта информация для тех, кто не боится держать паяльник в руках и хоть немного разбирается в программировании, например знаком с семейством контроллеров ARDUINO.

Ниже приводится описание порядка изготовления переносного измерителя (монитора) уровня содержания углекислого газа СО2 в атмосфере.

Для этого вам потребуются:
 • датчик углекислого газа MH-Z19B;
 • микроконтроллер Arduino PRO MINI, или аналогичный ему, например Arduino UNO;
 • переходник USB-UART CP2102. Если вы будете использовать микроконтроллер Arduino с USB разъемом, этот переходник вам не понадобится;
 • 7-сегментный индикатор на HT16K33;
 • повышающий преобразователь MT3608 или аналогичный, для обеспечения питания 5В от двух ба-тареек АА/ААА. Можно также для питания измерителя использовать два Li-Ion аккумулятора 18650. Тогда вам понадобится DC-DC понижающий преобразователь напряжения, например, на микросхеме LM2596. Если вы не планируете делать измеритель переносным, питание можно осуществлять по USB кабелю от компьютера или запитать от Power Bank.

Соберите схему, как показано на рисунке внизу.

Схема измерителя уровня CO2

Загрузите в микроконтроллер программу, листинг которой приведен внизу. Для работы вам понадобятся несколько библиотек:

SoftwareSerial.h – библиотека для работы с программным портом UART. Эта библиотека, как правило присутствует по умолчанию. Если ее нет, скачайте ее с https://github.com/PaulStoffregen/SoftwareSerial

MHZ19.h - библиотека для работы датчиком СО2 MH-Z19B. Cкачайте ее с https://github.com/strange-v/MHZ19

Adafruit_LEDBackpack.h, Adafruit_GFX.h - библиотеки для работы с 7-ми сегментным индикатором. Устанавливается в Arduino IDE через меню Инструменты – Управление библиотеками.


/*
Измеритель уровня углекислого газа СО2
(C)2020 ООО "ЛИК", http://lic.com.ua
*/      
#include "MHZ19.h"
#include <SoftwareSerial.h>
#include <Wire.h>
#include "Adafruit_LEDBackpack.h"
#include "Adafruit_GFX.h"

#define ledPin1 13 //светодиод на плате контроллера
#define DEBUG
#define DISPLAY_ADDRESS   0x70

//Объявляем программный порт на выводах 10(RX), 11(TX)
SoftwareSerial mySerial(10, 11);    
//Объявляем датчик CO2 MHZ-19B
MHZ19 mhz(&mySerial);
//Объявляем 7-сегметный дисплей HT16K33
Adafruit_7segment clockDisplay = Adafruit_7segment(); 

uint32_t timer_co2 = 0;
int MHZ_CO2 = 0;
int MHZ_T = 0;
boolean switchDisplay = false;

void setup(){
  //Инициализируем 7-сегментный дисплей
  clockDisplay.begin(DISPLAY_ADDRESS);
  clockDisplay.clear();
  clockDisplay.setBrightness(1);    
  //Инициализируем программный и аппаратный порты
  mySerial.begin(9600);
  Serial.begin(9600);   
  while (!Serial) { }  
  Serial.println("Start programm!"); 
  //Устанавливаем диапазон <2000ppm для датчика СО2
  mhz.setRange(MHZ19_RANGE_2000);
}

void loop() {
  if ((millis()-timer_co2) > 5000) {
    MHZ19_RESULT response = mhz.retrieveData();
    if (response == MHZ19_RESULT_OK)  {
      //Получаем уровень углекислого газа в воздухе, CO2
      MHZ_CO2 = mhz.getCO2();       
      //Получаем температуру воздуха, CO2
      MHZ_T = mhz.getTemperature(); 
      if (switchDisplay) clockDisplay.print(MHZ_CO2, DEC);
      else clockDisplay.print(MHZ_T, DEC);
      clockDisplay.writeDisplay();
      Serial.println("CO2="+String(MHZ_CO2)+"ppm, T="+String(MHZ_T)+"°C");
      digitalWrite(ledPin1,(not digitalRead(ledPin1)));
      switchDisplay = not switchDisplay; 
    } else {
      Serial.println("MHZ19 EROOR = "+String(response));
    }
    timer_co2 = millis();
  }
}

      

Средний ток, потребляемый схемой – 30 мА. Периодически, при измерении уровня СО2, датчик MH-Z19B потребляет ток в импульсе до 150 мА. Для корректного измерения необходимо дать прогреться датчику 30-60с, после чего он будет показывать текущее содержание СО2 в окружающей атмосфере.



Измеритель уровня СО2 в воздухе с инфракрасным бесконтактным термометром.

Для расширения функционала, в измеритель СО2 можно добавить инфракрасный бесконтактный термометр

Для этого вам дополнительно потребуется модуль бесконтактного термометра MLX90614

Соберите схему, как показано на рисунке внизу.

Схема измерителя уровня CO2 с бесконтатктным термометром

В отличие от предыдущей схемы, здесь для питания использованы два Li-Ion аккумулятора 18650 с понижающим преобразователем DC-DC Step Down LM2596. Для контроля уровня разряда аккумуляторов добавлена схема измерения напряжения на аккумуляторе - делитель напряжения на двух резисторах по 10К подключенный к аналоговому входу А0 на микроконтроллере PRO MINI.

Загрузите в микроконтроллер программу, листинг которой приведен внизу. Дополнительно потребуется библиотека для работы с модулем бесконтактного термометра MLX90614. Cкачайте ее с https://github.com/adafruit/Adafruit-MLX90614-Library

  
/*
Измеритель уровня СО2 с бесконтактным термометром
(C)2020 ООО "ЛИК", http://lic.com.ua      
*/
#include "MHZ19.h"   //https://github.com/strange-v/MHZ19
#include <SoftwareSerial.h>
#include <Wire.h>
#include "Adafruit_LEDBackpack.h"
#include "Adafruit_GFX.h"
#include <Adafruit_MLX90614.h>

#define ledPin1 13 //светодиод на плате контроллера
#define DISPLAY_ADDRESS   0x70

//Объявляем программный порт на выводах 10(RX), 11(TX)
SoftwareSerial mySerial(10, 11); 
//Объявляем датчик CO2 MHZ-19B   
MHZ19 mhz(&mySerial); 
//Объявляем 7-сегметный дисплей HT16K33              
Adafruit_7segment clockDisplay = Adafruit_7segment(); 
Adafruit_MLX90614 mlx = Adafruit_MLX90614();

uint32_t timer_co2 = 0, timer_start = 0, timer_temp = 0;
int MHZ_CO2 = 0;
//температура объекта, измеренная датчиком MLX90614
float MLX_TO = 0.0;
//Напряжение на аккумуляторе 
float LiIon = 0.0;  
boolean switchDisplay = false;

void setup(){
  //Инициализируем программный и аппаратный порты  
  mySerial.begin(9600);
  Serial.begin(9600);   
  while (!Serial) { }  
  Serial.println("Start programm!"); 
   
  //Инициализируем 7-сегментный дисплей
  clockDisplay.begin(DISPLAY_ADDRESS);
  clockDisplay.clear();
  clockDisplay.print(LiIon);
  clockDisplay.writeDisplay();    
  clockDisplay.setBrightness(1);

  //Устанавливаем диапазон <2000ppm для датчика СО2
  mhz.setRange(MHZ19_RANGE_2000);
  mlx.begin();
  //Измеряем и отображаем в течение 1с напряжение на аккумуляторах
  for (int i=0; i<100; i++) {
    LiIon += 5.0*analogRead(A0)/1024.0;  
    clockDisplay.print(LiIon/i);
    clockDisplay.writeDisplay();     
    delay(10);
  }  
  delay(1000);
  timer_start = millis();
}

void loop() {
  if ((millis()-timer_temp) > 500) {
    //Получаем температуру объекта, измеренную бесконтактным термометром  
    MLX_TO = int(mlx.readObjectTempC()*100.0)/100.0;
    if (((millis()-timer_co2) > 5000)and ((millis()-timer_start)>30000)) {         
      MHZ19_RESULT response = mhz.retrieveData();
      if (response == MHZ19_RESULT_OK)  {
        //Получаем уровень углекислого газа в воздухе, CO2
        MHZ_CO2 = mhz.getCO2();
        Serial.println("CO2="+String(MHZ_CO2)+"ppm");         
        digitalWrite(ledPin1,(not digitalRead(ledPin1)));
        switchDisplay = not switchDisplay; 
      } else {
        Serial.println("MHZ19 EROOR = "+String(response));
      }
      timer_co2 = millis();
    }
    //Периодически отображаем на дисплее содержание СО2
    //и температуру, измеренную бесконтактным термометром.
    if (switchDisplay) clockDisplay.print(MHZ_CO2, DEC);
    else clockDisplay.print(MLX_TO);
    clockDisplay.writeDisplay();    
    timer_temp = millis();
  } 
} 

После запуска, программа в течение первой секунды отображает напряжение на аккумуляторе, а потом 30с непрерывно показывает температуру объектов, измеренную бесконтактным термометром.

После истечения первых 30с, отображение переходит в режим последовательного вывода уровня углекислого газа СО2 и температуры объектов, измеренную бесконтактным термометром. Период переключения показателей - 5с.


Если вам нужнен профессиональный мониторинг состояния воздуха а в перспективе и с управлением климатической системой,
пишите на e-mail: lic4info@gmail.com, звоните по тел.:(+38044)455-91-33

Если вы не нашли ответ на свой вопрос, задайте его нам On-Line: